数控直流电流源设计-毕业论文成稿

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1、第第 1 1 章章 绪论绪论 本章先给出了本次设计的任务书然后说明了基于单片机的数控电流源的课题背景， 随后介绍了数控电流源的技术发展历程，最后提到研制基于 AT89S51 单片机的意义和本 设计所要满足课题要求。 1.11.1 数控电流源的发展趋势数控电流源的发展趋势 数控电源是从 80 年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这 些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有 了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可 靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片 机技术及电压转

2、换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术 和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到 90 年代，已出现了数控精度达到 0.05V 的数控电源，功率密度达到每立方英寸 50W 的数控 电源。从 90 年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的 技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在 80 年代的第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以 及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式 电源智能系统和数字控制。 早在

3、90 年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方 案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。 由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和 半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。 现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发 展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现 了直流电源的无人值守。 从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面， 几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使

4、用麻烦。 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产 过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化 和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 1.21.2 研究背景及主要研究意义研究背景及主要研究意义 低纹波、高精度稳定直流电流源是一种重要的电源，在现代科学研究和工业生产中 得到了越来越广泛的应用。随着单片机技术的发展，数控电流源开始出现，其以控制灵 活、调节方便的特点展示了良好的应用前景。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践 性很强的工程技术，服务于行业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理 论、材料

5、等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而带来的现代信息技术革命，给 电源技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源技术提出了更高的要求。随着数控电源 在电子装置中的普遍应用，普通电源在工作时产生误差，会影响整个系统的精确度，电 源在使用时会造成许多不良后果。世界各国纷纷对电源产品提出不同的要求并制定了一 系列产品精度标准，达标后才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的 电源产品才能够获得国际通行证。数控电源是 80 年代才发展起来的产品，期间系统的电 力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了良好的理论基础，在以后的时间 里，数控电源开始长足的发展。现在市场上数控电源存在输出精

6、度不高，功率密度比较 低，带负载能力不强，体积大，价格较高，操作繁琐，工作状态不稳定等弊端，因此数 控电源的主要发展方向是针对上述缺点不断改善。所以，高密度的数控直流电源有很大 的发展空间。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利条件。 新的变化技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研 制应用，到 90 年代，以出现了数控精度达 0.05V 的数控电源，功率密度已达 50W 的数控 电源。从组成上，数控电源可分为器件、主电路和控制电路三部分。 本课题主要研究的是基于微处理器的数控直流恒流源的设计，恒流源时能够向负载 提供恒定电流的电源，因此恒流源

7、的应用范围非常广泛，并且在许多情况下是必不可少 的。例如，在通常的充电器对蓄电池充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流 就会相应的减少。为了保证恒流充电，必须随时提高充电器的输出电压，但采用恒流源 充电后就可以不必调整输出电压，从而使劳动强度降低，生产效率得到了提高。恒流源 还广泛用于测量电路中，例如电阻器阻值的测量和分级，电缆电阻的测量等，且电流越 稳定，测量就越精确。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以 作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到广泛应 用。 第第 2 2 章章 方案比较及论证方案比较及论证 本章首先介绍了硬件设计中设计

8、方案的选择，接着阐述了硬件中压控恒流模块和显 示模块的优缺点。并最终确定最终的设计方案和主要模块的选择方案，即采用 AT89S51 单片机作为系统的控制单元。 2.12.1 总体方案论证总体方案论证 2.1.12.1.1 电路设计流程图电路设计流程图 要确定总的设计方案就要根据设计指标一定一个总的电路方案，在本次设计中我们 选择的是 AT89S51 为总的控制单元，其具体的设计流程图如 2-1 所示： 否 否 否 否 图 2-1 总的电路设计流程图 2.1.22.1.2 基本部分总体方案确定基本部分总体方案确定 确定设计指标 拟定电路方案 设定器件参数 进行电路仿真 通过仿真 电路安装调试 通

9、过调试 设计实验结束 修改电路 修改电路 方案 1. 利用微处理器作为控制器，以它为中心设计外围电路，并利用 D/A 转换形成 闭环回路。 图 2-2 方案一设计方框图 本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难， 而且 CPLD 器件普遍比较昂贵，设计成本高。 数控直流电流源由键盘、控制器、显示器、数模转换、电压电流转换和模数转换等 部分组成， 键盘的作用是设定电流值和确定电流步进值；控制器的作用是将设定电流值的 8 位（或 12 位）二进制输出；显示器的作用是显示设定电流值；数模转换的作用是设定电流值的 数字量转换为模拟量；电压电流转换的作用是将电压转换成恒定

10、电流输出；模数转换的 作用是将输出的模拟量再转换为数字量反馈到控制器，使实际输出电流值与设定电流值 一致。 方案 2: 采用 AT89S51 单片机作为系统的控制单元，通过 D/A 转换将预定值送压控恒流 源得到恒定电流，同时通过 A/D 送单片机显示实际值，系统还可实现步进控制功能。此 方案各类功能易于实现，能很好的满足题目的设计要求。设计方框图如图 2-3 所示。 图 2-3 方案二设计方框图 2.22.2 外围电路选择方案外围电路选择方案 2.2.12.2.1 控制器方案的选择控制器方案的选择 控制器主要有单片机和可编程器件，单片机做主控器件，由于单片机在科学计算， 数据处理，过程控制，

11、仪器仪表，辅助设计等方面有着广泛的应用，操作起来简便，而 按键输入单片机控制D/A 转换电流输出 逻辑电路信号调理电路 CPLD 器件 数码管显示 数码管驱动电路 数据锁存器 且单片机在适时控制方面有它独特的优势，本次电流源的制作正需要步进控制；而且可 以用已经做好的单片机开发板，用在显示和控制方比较方便。但是由于单片机的I/O口相 对有限，需要用8155等可编程器件进行口的扩展 ；我们但是对于可编程芯片，如CPLD或 FPGA等，对这些芯片的认知还不够、在学习中也很少接触，所以在这次论文中使用起来 会比较困难。而采用AT89S51作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB， 算术功

12、能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序 的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同 时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。 基于以上分析，选择方案二,利用AT89S51单片机将电流步进值或设定值通过换算由 D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机 系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。在器件的，D/A转换 器选用8位优质D/A转换芯片 DAC0832，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电 压的两倍，A/D转换器选用高精度8位模数转换芯片AD08

13、09。 2.2.22.2.2 显示方案显示方案 方案一：使用 LCD 数码管显示。数码管采用 BCD 编码显示数字，对外界环境要求 低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较 多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。 方案二：使用 LCD 显示。LCD 具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字， 分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，管较多，硬件设计和实物制作将方便化，且设计简 单等特点。 综上所述，选择方案二。采用 19264D 汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定 值和实测值。 2.2.32.2.3 键盘模块方案键盘模块方案 方案

14、一 ：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O 接口线,每个 I/O 口的工 作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的 I/O 口数目较多。 方案二 ：采用标准 4X4 键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较 多时可降低占用单片机的 I/O 口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。 题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。综合考虑两种方 案及题目要求，采用方案二。 2.2.42.2.4 电源模块方案电源模块方案 系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用 5V 稳压电源，运放需要12V 稳压电 源，同时题目

15、要求最高输出电流为 2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。 综上所述，采用三端稳压集成 7805、7812、7912 分别得到5V 和12V 的稳定电压， 再外对 LM7812 加功率管构成扩流电路,达到可以提供 3A 以上的电流。利用该方法实现的 电源电路简单，工作稳定可靠。 2.2.52.2.5 恒定电流源模块方案恒定电流源模块方案 方案一：采用开关电源的开关恒流源。其组成方框图如图2-4所示。图中C1、C2为滤 波电容；K是开关器件；D是续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；KF是电流反 馈电路；R0是电流取样电阻。在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，

16、可以使电路的分布参数得到有效控制。采用开关电源的开关恒流源主要特点是：振荡反 馈电容小，阻抗大，反馈电流小。 K KpPWM + C1 LRoIo C2D UIN 图 2-4 采用开关电源的开关恒流源组成框图 方案二：采用集成稳压器构成的开关恒流源。图2-5所示是是三端集成稳压器构成的 开关恒流源。当设定电阻R一定时，电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时，由IC 的输入输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。 IC C1C2R Ro Io UINUo 图2-5 采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图 2.2.62.2.6 设计方案设计方案 本设计以 AT89S51 单片机为中心控制器，单片机控制按键设定输出电流值，按键包 括“+1”键和“-1”键，用于设定电流值，该电流值通过单片机送入 D/A 转化器 DAC0832 转换为模拟量输出，该输出为电流值，再通过运放转换为电压值，该电压值通 过压控恒流电路得到稳定输出的电流。同时设定的电流值还将通过数码管显示电路显示， 以便于观察。